Photolithography 공정 (7) Hard bake, PR Strip 포토공정의 마지막

현상까지 마무리하고 검사까지 했다면 이제 Hard bake를 본격적으로 시작해야겠죠?

 

그렇다면 Hard bake의 정의와 목적을 한번 알아보죠

Hard bake란 현상 후 열을 가하여 남아있는 Solvent, Developer를 제거하여 패턴의 불량을 방지하고 진공 공정시 Solvent burst를 방지하구요, Resist를 더 단단하게 더 밀도 있게 만드는 공정입니다. 이렇게 PR을 안정화 시켜서 후속 공정(ion implantation, Wet/Dry etch)시 내구성을 증가 시킵니다. 또한 기판과 PR의 점착력을 증가시키며 Pinhole 도 제거하는데요.

pinhole이란 우리가 원치않은 pr의 부분에 구멍이 뚫린 것을 의미하구요 Hard bake를 통해 이 구멍을 메꿀 수 있습니다. 

어떤 액상이 어떤 온도에서 빠르게 고무처럼 굳는 현상을 Glass transition(유리 전이)라고 하고 어떤 재료가 탄성 한계를 넘어서 영구적으로 변형하는 것을 Plastic flow(소성 유동)이라고 하는데요. Hard bake는 유리전이가 발생하는 온도(TG)다 커야한다고 하고 충분한 시간이 제공되어야 합니다.

그러나 Hard bake는 조금 부작용이 있는 공정인데요 TG보다 높은 고열을 인가하다 보니 film stress가 발생합니다. 보통 bake는 stress를 줄여주는데 이건 증가시키네요. 또한 PR의 두께가 일부 감소합니다. 너무 감소하다보면 Dry etch 나 ion implantation에서 blocking을 못해주는 경우가 생깁니다. 

포토공정 초반에 설명드릴때 lift-off 공정에 대해서 한번 언급한적이 있는데요 이 lift-off 공정을 진행할려면 pr이 좀 부들부들한 상태여야 날라갈텐데 hard bake를 진행하면 너무 딱딱해지기에 hard bake는 lift-off 공정에서는 도입하기 어렵습니다.

 

Hard bake는 다른 bake들과 마찬가지로 pr의 종류, 사용법에 따라서 공정 조건은 천차만별입니다. 다만 일반적으로 soft bake 온도보다 높은 온돋에서 공정을 진행합니다.

 

Hard bake도 실패할 가능성이 있는데요 보통 과도한 온도와 시간을 인가 할 때 발생합니다.

실패 할 경우 생기는 현상으론 1) PR의 가장자리 부분의 형상이 늘어지는 PR reflow가 발생하구요 일반적으로 positive pr 에서 발생합니다. 2) 너무 단단해지기 때문에 식각 후 PR 제거(PR Strip)가 어려워집니다.

 

이제 한번더 2차 검사를 해줍니다. 후속 공정에 들어가기 전 마지막 검사 작업인데요 이걸 After Development Inspection(ADI) 라고 부릅니다. 이때 실패가 나오면 방법이 없습니다.. PR을 제거하고 Re-work에 들어가야 합니다... 이떄 Re-work는 CD(Critical Dimension), Overlay(총렬 오차), Step Height, Particle 오염도 등 원하는 스펙이 나오지 않았을때 진행합니다. 만약 Etch가 이미 진행되었다면 Film에 손상을 받은 상태라 Re-work를 할 수 없기에 먼저 검사를 해줍니다.

이러한 오류들은 보통 CD-SEM이나 OM 등 광학 현미경으로 진행하고 OM의 경우 미세한 부분을 확인하기에는 한계가 있기에 간단한 검사용을 사용하고 주로 CD-SEM을 사용한다고 합니다.

드디어! 포토공정의 마지막 단계 PR Strip입니다.

 

보통 PR을 제거할땐 습식 제거(Wet removal)을 진행합니다. 잔여 PR을 제거하는데 속도가 매우매우 빠르기 때문이죠. 하지만 일부 PR 특히 Cross-linking이 되는 Negative PR의 경우, Hard bake가 과도하게 되 PR의 경우 제거가 어렵다는 단점이 존재합니다. 

 

그렇기에 Positive PR, Negative PR 마다 사용되는 Stripper가 다릅니다.

몇가지 설명드릴 부분이 있는데요 아세톤 같은 경우는 양쪽 모두 사용되죠? 아세톤은 식이 (CH3)2CO인데 소수성과 친수성 그 사이 이도저도 아닌 느낌이 있어서 양쪽에 모두 사용되는 것입니다. Solvent들은 소수성이겠죠? 또한 P.PR Stripper로 현상용액으로 사용되는 알칼리성이 보이시나요? 조금 이상하죠? 이건 약간의 함정인데 알칼리성 용액으로 현상을 너무 오래하면 빛이 조사되지 않은 부분도 용해가 될 수 있다는 이야기겠죠?

 

N.PR에 쓰이는 Stripper중 slovent인 MEK. MIBK 이 두 놈은 역시 소수성입니다. 이상하죠? N.PR도 처음엔 소수성인데 남아있는 부분들은 빛을 받아서 경화가 되었잖아요. 이렇게 심하게 경화된 부분을 날려줄 수 있는건 소수성 용액뿐이기 때문에 사용한답니다. 

습식제거로도 제거되지 않는 부분들이 있다고 했죠? 이 경우 건식 제거를 사용하는데요. Plasma를 이용해서 식각을 해주는데요 아까 말씀드렸다시피 N.PR은 습식으로 잘 제거가 안된다 했죠. 이 같은 경우에 보조적으로 건식 식각을 이용합니다. 일반적으로 반응성이 좋은 O2 plasma를 사용하구요 CF4나 Ar 가스를 첨가하기도 합니다.

 

나중에 plasma에 대해 자세히 다룰 시간이 있겠지만 이해를 위해 간단히 설명하자면요 반도체에서 plasma가 형성되었다라고 하면 Radical과 ION 둘다 있는 상태를 의미하는데요 물론 정확한 plasma라는 정의에 입각하면 틀린이야기지만 반도체에서는 Radical도 이용하기 때문에 plasma 안에 Radical도 있다고 생각합니다. 

 

플라즈마를 사용해서 건식식각을 할때 ION은 안정한 상태이기 때문에 물리적 식각으로 이용되고 Radical은 매우 불안한 상태라 화학적 식각으로 이용됩니다. 그렇기에 이 plasma안에 ion과 radical의 비율에 따라서 방식이 조금씩 달라지겠죠?

 

자 그럼 PR을 제거하기 위해선 화학적 식각이 우세 해야 하는데요 그렇기에 보통 PR Strip에선 radical이 우세하도록 plasma를 형성해야한다고 생각하시면 될 것 같네요. 

 

Asher라는 설비를 통해서 우리가 plasma를 만들어서 PR Strip에 사용하는데요. 일종의 dry etcher라고 생각하면 되겠네요. Dry etcher들에는 여러 타입이 있는데요 그중 Asher에는 CCP, ICP, ECR 타입들을 주로 사용합니다. 이 세가지 설비들은 화학적 식각이 강한 설비이기 떄문이죠.

포토공정이 전부 끝나고 Clean을 진행하여 검사하는 After Clean Inspection(ACI)을 진행하는데요 검사 과정은 ADI와 동일합니다. 여기서 불량이뜨면 눈물을 머금고 버려야합니다...

 

 

하하하 드디어 길고 길었던 포토공정이 끝이났네요.. 조금더 세세하게 들어가면 공부할 양이 더 많을 것 같지만 전 1차적으로 공부하는 것이기에 이정도로 먼저 끝내 놓아야겠습니다.. 하지만 반도체 공정은 포토공정 말고도 정말 어마어마하게 많이 남았다는것... 포토공정의 심화부분인 설비와 구성요소라던지 여러 깊은 부분은 따로 카테고리를 만들어서 진행하고자 합니다! 부족한 부분이 많지만 그래도 긴글 읽어주신 분들께 감사인사드리고 조금이라도 이 글이 도움이 되었다면 좋겠네요! 그럼 전 다른 유익한 정보를 가지도 다시 돌아 오겠습니다!